2205雙相不銹鋼銲件應力腐蝕與腐蝕疲勞特性研究

Abstract

摘要 2205雙相不銹鋼母材在不同環境中，進行拉伸與疲勞裂縫成長試驗，試驗環境包括空氣、氣態氫環境、飽和硫化氫水溶液與80℃飽和氯化鎂水溶液。母材試片在大氣環境中拉伸實驗結果顯示，滾壓組織對疲勞裂縫成長特性影響輕微，但不同腐蝕環境中，縱向試片比橫向試片劣化程度較低。此外在不同腐蝕環境中，造成不同程度的疲勞裂縫成長加速特性，腐蝕環境低ΔK範圍中，裂縫成長方向垂直滾壓方向試片疲勞裂縫成長速度略高於平行滾壓方向試片。TEM觀察及X-ray繞射結果顯示，在疲勞裂縫破斷面表層，部分沃斯田鐵因應變引發麻田散鐵變態。大氣中疲勞破斷面主要為穿晶破斷與少量的劈裂破斷，而腐蝕環境中由於大範圍準劈裂，導致疲勞裂縫成長加速。 不同腐蝕環境慢速率缺口拉伸實驗結果顯示，2205雙相不銹鋼雷射銲件其氫脆敏感性深受微觀組織影響。氣態氫環境實驗結果得知，所有試片皆對氫脆敏感，而氫脆敏感度隨銲道中沃斯田鐵相含量增加而減少。此外母材衝擊韌性性質受滾壓組織方向影響嚴重，銲道衝擊值並不因γ含量降低而大幅度下降，且預熱以及氦氣吹驅氣體改變為氮氣等方式，可提升銲道沃斯田鐵含量以及衝擊韌性值。此外高溫短時間銲後熱處理(1000℃/20min)，銲道具有散亂且粗大針狀微觀組織，在所有試片中具有最大的衝擊韌性值及缺口拉伸強度，氣態氫環境中所有試片破斷面，由空氣中的延性破斷轉變成準劈裂破斷模式。 銲道疲勞裂縫成長實驗結果顯示，疲勞裂縫成長特性受到銲接殘留應力影響，需要極大的裂縫起始應力強度因子值才能產生裂縫。低溫熱處理(600℃/2hrs)可消除部分殘留應力，重複5次熱處理後可將銲接應力完全消除，且不改變原始銲道微觀結構，以及無析出物產生。低溫熱處理銲道試片疲勞裂縫成長速度較母材慢，其主要原因為zig-zag粗糙破斷面，有較長疲勞裂縫路徑，且粗糙度引發閉合效應影響，減緩裂縫成長速度。氣態氫環境中疲勞裂縫成長速度受氫脆影響而加速，且與銲道內γ相含量有明顯關係，隨銲道中γ相提升，可以降低氫脆與銲道疲勞裂縫成長速度。空氣環境試片銲件疲勞破斷面中，主要為穿晶破壞與少量的細小平坦區，氣態氫環境則可以發現準劈裂等脆性破斷產生。 一般雷射銲道γ相含量過低，嚴重降低其銲件實際應用性，因此實驗設計以1050℃熱處理方式提昇γ相含量，母材試片經過熱處理可提升γ相含量，但由於影響裂縫成長速度的裂縫遭遇晶界數量，在此無明顯變化，因此疲勞裂縫成長特性與未熱處理母材相比並無明顯改變。熱處理後銲道結構形成粗大針狀γ相與費德曼組織，且隨熱處理時間增加，γ相含量可小幅提升。巨觀破斷面觀察與粗糙度量測結果顯示，1050℃熱處理銲件疲勞裂縫成長速度較母材慢，其原因在於粗糙度引發疲勞閉合與路徑效應導致裂縫成長減速。SEM破斷面觀察可發現主要為穿晶破壞，以及不規則細小條狀平坦區散佈，此平坦區側邊金相結構顯示，此平坦區應是裂縫成長通過α/γ界面所形成。